54. Физические свойства жидкости

К основным физическим свойствам жидкости, которые рассматривая в гидродинамике, относятся плотность, удельный вес, удельный объем, температурное расширение, сжимаемость и вязкость.

Плотность — это отношение массы вещества к его объему:

.

На плотность жидкости влияют температура и давление.

Удельный вес — это отношение веса жидкости к занимаемому объему:

.

Удельный объем жидкости — объем единицы массы этой жидкости:

Температурное расширение — свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры. С ростом температуры объем жидкости увеличивается и наоборот. Различные жидкости при увеличении температуры на одну и ту же величину увеличиваются в объеме по разному. Поэтому свойство жидкости увеличиваться в объеме с увеличением температуры характеризуется коэффициентом температурного расширения β_т, который показывает изменение единицы объема данной жидкости при изменении ее температуры на 1 К.

Увеличение объема при нагревании рассчитывается по уравнению

где V₀ – начальный объем жидкости; ∆T – изменение температуры.

В расчетах ДВС коэффициент температурного расширения считают постоянным, хотя на самом деле он зависит от условий нагревания или охлаждения, давления и начальной температуры.

Сжимаемость — свойство жидкости изменять объем при изменении давления.

где ∆V — изменение объема;

∆р — изменение давления;

β_p — коэффициент объемного сжатия.

Коэффициент объемного сжатия показывает изменение единицы объема жидкости при изменении давления на 1 Па. Он зависит от условий сжатия, температуры и начального давления. При расчетах эта зависимость не учитывается.

Коэффициент объемного сжатия для воды равен 5 • 10^-4 1/Па, для нефтепродуктов — 7 • 10^-4 1/Па, для ртути — 0,3 • 10^-4 1/Па.

Ввиду незначительных величин β_p жидкости считаются несжимаемыми.

Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой.

Если слои жидкости при движении не перемешиваются, то скорость в потоке изменяется по линейному закону, и отношение V₀/δ представляет собой градиент скорости.

При скольжении слоев жидкости между ними возникают силы внутреннего трения, которые сопротивляются движению. На преодоление этих сил и расходуется внешняя сила F:

где η — динамический коэффициент вязкости или динамическая вязкость;

S — площадь трения (жидкости о пластину).

Динамическая вязкость учитывает свойства жидкости, от которых зависит ее внутреннее трение. В технике и в частности в гидравлике часто используется кинематическая вязкость ν, которая равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

Для упрощения решения гидродинамических задач считают, что рассматриваемые жидкости не обладают температурным расширением, сжимаемостью и вязкостью. Такие жидкости в отличие от реальных называются идеальными.

55. Поток жидкости и его параметры

Поток жидкости характеризуется такими параметрами как площадь живого сечения S, расход жидкости Q(G), средняя скорость движения υ.

Живое сечение потока — это сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.

Векторы скорости частиц имеют некоторое расхождение в потоке жидкости.

Живым сечением потока жидкости называется сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости. Поэтому живое сечение потока — криволинейная плоскость (рис. 2, а, линия I—I). В виду незначительного расхождения векторов скорости в гидродинамике за живое сечение принимается плоскость, расположенная перпендикулярно скорости движения жидкости в средней точке потока (рис. 2, б).

Рис. 2. Векторы скорости потока жидкости (а) и живое сечение потока (б)

Расход жидкости — это количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Расход может определяться в массовых долях G и объемных Q.

Средняя скорость движения жидкости — это средняя скорость частиц в живом сечении потока.

Е сли в живом сечении потока, движущегося, например, в трубе, построить векторы скорости частиц и соединить концы этих векторов, то получится график изменения скоростей (эпюра скоростей) (рис. 3).

Рис. 3. Распределение скоростей движения жидкости в живом сечении трубы при течении: а — турбулентном; б — ламинарном

Если площадь такой эпюры разделить на диаметр данной трубы, то получится значение средней скорости движения жидкости в данном сечении:

где S_э — площадь эпюры местных скоростей; d — диаметр трубы.

Объемный расход жидкости рассчитывается по формуле

где Q — площадь живого сечения потока.

Параметры потока жидкости определяют характер движения жидкости. При этом оно может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, неразрывным и кавитационным, ламинарным и турбулентным.

Если параметры потока жидкости не изменяются во времени, то ее движение называется установившимся.

Равномерным называется движение, при котором параметры потока не изменяются по длине трубопровода или канала. Например, движение жидкости по трубе постоянного диаметра является равномерным.

Неразрывным называется движение жидкости, при котором она перемещается сплошным потоком, заполняющим весь объем трубопровода.

Отрыв потока от стенок трубопровода или от обтекаемого предмета приводит к возникновению кавитации.

Кавитацией называется образование в жидкости пустот, заполненных газом, паром или их смесью.

Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения р_кр при данной температуре (для воды p_кр = 101,3 кПа при Т= 373 К или р_кр = 12,18 кПа при Т= 323 К и т. д.). При попадании таких пузырьков в зону, где давление выше критического, в эти пустоты устремляются частицы жидкости, что приводит к резкому возрастанию давления и температуры. Поэтому кавитация неблагоприятно отражается на работе гидротурбин, жидкостных насосов и других элементов гидравлических устройств.

Ламинарное движение — это упорядоченное движение жидкости без перемешивания между ее соседними слоями. При ламинарном течении скорость и силы инерции, как правило, невелики, а силы трения значительны. При увеличении скорости до некоторого порогового значения ламинарный режим течения переходит в турбулентный.

Турбулентное движение — это течение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившееся беспорядочное движение по сложным траекториям. При турбулентном течении скорость жидкости и ее давление в каждой точке потока хаотически изменяется, при этом происходит интенсивное перемешивание движущейся жидкости.

Для определения режима движения жидкости существуют условия, согласно которым скорость потока может быть больше или меньше той критической скорости, когда ламинарное движение переходит в турбулентное и наоборот.

Однако установлен и более универсальный критерий, который называют критерием или числом Рейнольдса:

где Re — число Рейнольдса; υ — средняя скорость потока;

d — диаметр трубопровода; ν — кинематическая вязкость жидкости.

Опытами было установлено, что в момент перехода ламинарно­го режима движения жидкости в турбулентный Re = 2320.

Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Следовательно, при Re < 2320 движение жидкости — ламинарное, а при Re > 2320 — турбулентное. Отсюда критическая скорость для любой жидкости